全預混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞保護優化設計研究

林林勇

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

近年來，國家政策鼓勵市場推出高效、節能、綠色環保的產品，全預混冷凝壁掛爐[1]以其燃燒充分、換熱效率[2]高、排放低等特點逐步吸引消費者的目光，出色的節能效果深受廣大消費者的青睞，銷量年年攀升，趨勢向好。全預混冷凝壁掛爐燃燒過程中產生的高溫煙氣在換熱器上與水充分換熱，煙溫逐漸下降而煙氣中的水蒸氣大量冷凝為液態冷凝水[3]，所形成的冷凝水被冷凝水收集裝置收集后再逐漸排出機體外。由于國內部分地區存在空氣灰塵、雜質多、燃氣不純凈等因素的影響，在燃燒后，煙氣中附著的灰塵及雜質顆粒隨冷凝水的沖刷流入冷凝水收集裝置；隨著雜質顆粒逐步增加，可能會造成冷凝水排水系統的堵塞，甚至會浸泡換熱器隔熱板、燃燒器，進而倒灌入風機及燃氣閥，造成零部件損壞，影響全預混冷凝爐的使用壽命。為保證全預混冷凝壁掛爐的正常運行，需設計有可靠的冷凝水堵塞保護措施，在出現冷凝水堵塞時能及時進入安全保護狀態，避免零部件受損而影響使用壽命。

1 冷凝水堵塞原因分析

全預混冷凝壁掛爐的燃燒換熱原理是燃氣與空氣在預混器中充分混合后，在燃燒器的表面進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣在換熱器上與水進行換熱之后，煙氣溫度下降并達到其露點溫度，煙氣中的水蒸氣冷凝為液態冷凝水，所形成的冷凝水在煙氣氣流沖擊及自身重力作用下，沿著換熱器的內壁往下流，并匯集于虹吸管中再排放出壁掛爐外部，如圖1所示。

圖1 全預混冷凝壁掛爐原理圖

經過分析，造成冷凝水堵塞的原因主要有以下三種：①全預混冷凝壁掛爐外接的冷凝水排水管存在扭曲折疊或結冰導致冷凝水無法正常向外排放；②參與燃燒的燃氣和空氣中存在無法燃燒的雜質顆粒沒能隨著煙氣排出，而在冷凝水的沖刷下，堆積在壁掛爐內部的冷凝水排水通道上，造成虹吸管排水口堵塞，如圖2所示；③壁掛爐內部冷凝水排水通道設計不合理，而冷凝水在排水過程中需要克服水封段空氣阻力，若排水管徑過小，傾斜角度偏小將造成排水不暢，如圖3所示。

圖2 虹吸管中的雜質

圖3 壁掛爐內部排水管積水

一旦出現冷凝水堵塞，而壁掛爐又不能及時識別，燃燒換熱持續進行，冷凝水將逐漸堆積并向上漫延至換熱器內，水位升高后將從燃燒器倒灌到風機及燃氣閥，造成零部件受損，同時也會導致燃燒工況惡化，煙溫急劇升高，降低全預混冷凝壁掛爐的使用壽命。因此，在冷凝水出現堵塞時，全預混冷凝壁掛爐應能及時識別堵塞并停止燃燒工作，才可有效避免零部件損壞。全預混冷凝壁掛爐應具備可靠的冷凝水堵塞保護，盡可能避免冷凝水對壁掛爐造成損傷，以保障全預混冷凝壁掛爐的高效運行。

2 堵塞保護方案研究及優化

目前對全預混冷凝壁掛爐的冷凝水堵塞保護，主要有兩類方法來進行檢測：①利用火焰探針檢測反饋電流強度來判別冷凝水是否堵塞；②在虹吸管上增設液位開關或風壓開關，通過電路通斷方式判別冷凝水是否堵塞。

2.1 火焰探針檢測方案

在壁掛爐工作過程中，火焰探針用于檢測燃燒火焰所產生的離子電流，主控板檢測到固定的電流信號值時，則說明點火成功且正常燃燒。全預混冷凝壁掛爐燃燒換熱產生的冷凝水呈弱酸性并具有導電的特性，若冷凝水堵塞至液面與火焰探針接觸時，火焰探針通過冷凝水與機殼形成導通接地，主控板檢測到電流信號值異常即可判定為冷凝水堵塞，進入熄火安全保護狀態。

經測試，在待機無火焰的狀態下，火焰探針檢測到的電流強度模擬信號Ad值為252，而正常燃燒時，Ad值為0。將冷凝水排水口堵住，使冷凝水水位逐步上升，隨著冷凝水漫延至換熱器內，火焰探針周圍的火焰信號強度逐漸削弱，火焰離子電流強度模擬信號Ad值呈逐步上升趨勢，此階段可能造成燃燒火焰因氣流不均而局部出現離焰狀態；隨著冷凝水水位繼續上升，冷凝水液面開始漫延至火焰探針處，此時火焰探針通過冷凝水與機殼導通接地，Ad值穩定在147，如圖4所示。由此可見，從熄火狀態到正常燃燒再到冷凝水漫至火焰探針，火焰離子電流強度模擬信號Ad值出現較為明顯變化，由此可用來判定全預混冷凝壁掛爐的工作運行狀態，當出現冷凝水堵塞時，及時有效識別出來并進入安全保護并停止工作。

圖4 冷凝水堵塞過程電流Ad值變化

為驗證環境濕度對火焰離子電流強度模擬信號Ad值是否存在影響，將該全預混冷凝壁掛爐置于恒溫恒濕測試箱中，在常溫30 ℃下進行測試。使壁掛爐處于待機狀態，打開全預混換熱器的燃燒門，使火焰探針暴露在恒溫恒濕的環境中，通過逐漸增加火焰探針周圍環境濕度，濕度范圍在（40～95）%變化，讀取火焰離子電流強度模擬信號Ad值，如圖5所示，可見Ad值保持不變，由此得出火焰離子電流強度模擬信號Ad值不易受環境濕度影響。同樣保持環境濕度為95 %，逐漸增加火焰探針周圍溫度，溫度范圍在（30～90）℃變化，讀取火焰離子電流強度模擬信號Ad值，如圖6所示，可見Ad值仍保持不變，由此得出火焰探針信號值在高溫高濕狀態下，依然保持穩定的火焰離子電流強度模擬信號Ad值。

圖5 溫度30 ℃時，濕度對電流Ad值的影響

圖6 濕度95 %時，溫度對電流Ad值的影響

綜合上述試驗及分析，此安全保護方案可有效判定全預混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞且不易受環境因素影響產生誤報。但為避免冷凝水漫至換熱器后流入燃燒器并浸泡風機等零部件，需將火焰探針進行優化以確保冷凝水液面與火焰探針接觸時，水位仍低于燃燒器的最低位置，如圖7所示。然而，即使優化火焰探針的位置，使此方案雖可有效防止冷凝水浸泡燃燒器且避免風機和燃氣閥等關鍵零部件受損，但仍會對換熱器隔熱板產生浸泡，降低其使用壽命，如圖7所示。

圖7 燃燒器和換熱器內部圖片

2.2 液位開關檢測方案

采用液位開關來判別冷凝水堵塞的方案，是一個直接檢測冷凝水水位的方案。此方案是通過在虹吸管增設一個用于檢測冷凝水水位的液位開關，如圖8所示，該液位開關帶有磁性浮球，正常狀態下，浮球受重力作用自然下垂，液位開關內部電路處于接通狀態并與主控板形成回路。若冷凝水出現堵塞，冷凝水水位逐漸上升，浮球在冷凝水的作用下浮起，浮球上浮至固定行程時，由于其磁性作用使液位開關內部電路處于斷開狀態，主控板檢測到回路斷開，即判定為冷凝水堵塞并停止工作。此方案的優點在于無需對控制程序進行變更，僅需將液位開關導線串聯入現有電路中即可全過程監測冷凝水是否堵塞，且液位開關內置電路是全密閉的，不受環境影響，可靠性高。

圖8 液位開關方案設計圖

根據虹吸管結構特點，設計液位開關安裝方案時可選擇設在形成水封段的前端與后端，如圖8所示。綜合考慮實際使用的情況，在全預混冷凝壁掛爐的工作過程中，冷凝水不斷產生并流入虹吸管內，而隨著冷凝水沖刷下來的雜質大部分沉積在虹吸管最低端和粘附在側壁，即容易在水封段的前端出現堵塞；若液位檢測開關安裝在水封段后端則檢測不到此處的冷凝水堵塞，僅有壁掛爐外部的冷凝水排水管路出現堵塞時才能檢測出來，因此液位開關設計在虹吸管水封段的前端更為合理有效。同時考慮到部分用戶的使用環境差異，在使用全預混冷凝壁掛爐時在壁掛爐外部冷凝水排水管未能接入下水道，而是采用水桶收集冷凝水，這將導致冷凝水排水管內形成一段密閉空間，形成空氣堵塞，不利于排水，虹吸管水封前端水位會有一定的上升，因此在設計液位開關位置時需考慮該段上升的水位影響，或者在虹吸管的水封段的后端，設計一個與大氣相通的孔位，以避免產生壓力。

結合上述分析，全預混冷凝壁掛爐在虹吸管增設液位開關可及時有效地檢測虹吸管和外部排水管道的冷凝水堵塞，并可在冷凝水漫延至換熱器前進入安全保護，避免浸泡換熱器隔熱板等零部件的情況發生。

3 堵塞安全保護方案選擇

為了及時識別外部冷凝水排水管道及虹吸管內部通道堵塞，防止冷凝水漫延至換熱器造成隔熱板浸泡，在設計全預混冷凝壁掛爐時建議在虹吸管水封前端增設液位開關作為第一道冷凝水堵塞保護，盡可能避免因冷凝水堵塞造成的零部件損壞；另外，為避免虹吸管與換熱器連接管因意外堵塞造成的冷凝水漫延，可通過優化火焰探針結構及主控板程序設計來作為第二道冷凝水堵塞保護，在冷凝水水位漫延到燃燒器之前，火焰探針及時檢測堵塞，主控板進入冷凝水堵塞保護，及時熄火阻止冷凝水的產生，從而避免冷凝水對風機、預混器和燃氣閥的浸泡和損壞。在全預混冷凝爐上優化設計，通過兩種方案相結合，能全方位有效判別冷凝水堵塞問題，及時判別并及時止損，為全預混冷凝壁掛爐的高效節能保駕護航，以達到有效延長全預混冷凝壁掛爐使用壽命的目的。

4 結語

1）通過火焰探針來檢測冷凝水堵塞，具有可靠性高，不易受環境濕度、溫度影響，缺點是一旦出現冷凝水堵塞后，容易浸泡換熱器上的隔熱棉，影響其使用壽命。

2）在虹吸管水封前端增設液位開關，可以避免因灰塵雜質在冷凝水的沖刷下快速堆積虹吸管中造成堵塞，避免造成壁掛爐零部件的損壞，并可提示用戶及時清理。

3）采用火焰探針及液位開關兩種安全保護方法結合，可以最大限度避免因各種原因引起的冷凝水堵塞給全預混冷凝壁掛爐造成的影響。

通過優化全預混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞保護的設計，有效及時地檢測出冷凝水堵塞，從而有效保護全預混冷凝壁掛爐的零部件，以達到減少維護成本、延長全預混冷凝壁掛爐的使用壽命的目的。